第五章流化床氣化工藝

第五章

流化床煤氣化工藝第一節(jié)

概述已工業(yè)應用的主要氣化爐類型簡介氣化劑以較小的速度通過床層時，氣體經(jīng)過固體顆粒堆積時所形成的空隙，床內(nèi)固體顆粒靜止不動，這時的床層一般稱為固定床。當氣流速度繼續(xù)增大，顆粒之間的空隙開始增大，床層膨脹，高度增加，床層上部的顆粒被氣流托起，流體流速增加到一定限度時，顆粒被全部托起，顆粒運動劇烈，但仍然逗留在床層內(nèi)而不被流體帶出，床層的這種狀態(tài)叫固體流態(tài)化，即團體顆粒具有了流體的特性，這時的床層稱流化床。流化床氣化爐是用流態(tài)化技術來生產(chǎn)煤氣的一種氣化裝置，也稱沸騰床氣化爐。氣化劑通過粉煤層，使燃料處于懸浮狀態(tài)，團體顆粒的運動如沸騰的液體一樣。氣化用煤的粒度一般較小，比表面積大，氣固相運動劇烈，整個床層溫度和組成一致，所產(chǎn)生的煤氣和灰渣都在爐溫下排出，因而，導出的煤氣中基本不含焦油類物質(zhì)。

爐型：德國有高溫溫克勒HTW及Lurgi公司的CFB；美國有U-gas、KRW氣化爐等；中國有ICC灰熔聚氣化、灰黏聚多元氣化恩德爐流化床等。

流化床氣化工藝的反應動力學條件好，氣固兩相間擾動強烈，氣化強度較大。適合于活性較高的年輕煤及褐煤半焦的氣化。對原料的粒度一般要求為0.5~6mm，還適合于含灰較高的劣質(zhì)煤。爐內(nèi)溫度不高，煤氣出口為900℃，材料的選擇容易。可用空氣、氧或富氧氣化，煤氣熱值較低，煤氣中的焦油和酚類含量少，凈化系統(tǒng)簡單，污染少?？梢赃M行爐內(nèi)脫硫，環(huán)保性能好，總的造價較低。第二節(jié)流化床氣化的基本原理一常壓流化床的成氣過程流化床氣化采用0.5-6mm的小顆粒煤作為氣化原料。氣化劑同時作為流化介質(zhì)，通過流化床的氣體分布板自下而上經(jīng)過床層。根據(jù)所用原料的粒度分布和性質(zhì)，控制氣化劑的流速使床內(nèi)的原料煤全部處于流化狀態(tài)，在劇烈的攪動和回混中，煤粒和氣化劑充分接觸同時進行著化學反應和熱量傳遞。利用碳燃燒放出的熱量進行著煤粒的干燥、干餾和氣化。生成的煤氣在離開流化床床層時，夾帶著大量細小顆粒（包括70％的灰粒和部分未完全氣化的碳粒)由爐頂離開氣化爐。部分密度增重后的渣粒由爐底排灰機構排出。第二節(jié)流化床氣化的基本原理一常壓流化床的成氣過程在流化床氣化爐內(nèi)，主要進行的反應有：碳的燃燒反應、二氧化碳還原反應、水蒸氣分解反應以及水煤氣變換反應等。圖5-1無煙煤在流化床氣化爐氣化中氣體組成及溫度分布二常壓流化床氣化的特點1.氣化強度高

流化床氣化采用的原料顆粒較細，氣化劑的流速很高，并在劇烈的攪動和反混狀態(tài)下，氣固接觸好，傳熱強度大，有利于非均相反應速度的提高。所以，流化床的氣化強度大大高于移動床。直徑4m的常壓流化床氣化爐，操作溫度為1000℃時，單爐產(chǎn)氣量可達5萬m3/h。二常壓流化床氣化的特點2.氣化溫度低流化床的氣化溫度一般低于移動床氣化爐。約控制在850~950℃左右。其主要受限于原料的灰熔點。為了防止原料灰分在高溫床層中軟化、結渣，以致破壞氣化劑在床層截面的均勻分布，產(chǎn)生溝流、氣截等不良現(xiàn)象。這些條件限制了流化床的最高床層溫度也限制了產(chǎn)量和碳的轉化率。由于流化床爐溫較低，再加上流化床中碳的濃度相對較低，只有活性好的煤，才能在流化床中制得質(zhì)量較好的煤氣。否則，煤氣中二氧化碳的含量上升，碳的轉化率下降。由于煤的干餾和氣化在同一溫度下進行，相對移動床干餾區(qū)來說，其干餾溫度高得多。所以煤氣中幾乎不存在焦油。酚和甲烷的含量也很少，煤氣的熱值較低，但凈化系統(tǒng)簡單，環(huán)境污染較小。二常壓流化床氣化的特點3.熱損失大在流化床內(nèi)，整個床層的溫度分布均勻，其波動范圍不超過5℃，故不會產(chǎn)生局部過熱現(xiàn)象。但煤氣的爐出溫度很高，熱量損失較大，為此，需設置規(guī)模較大的廢熱回收系統(tǒng)。二常壓流化床氣化的特點4.粘結煤需經(jīng)預處理

原因：①流化床在使用具有膨脹或粘結性能的原料煤時，會遇到較大困難。因新鮮的煤料突然注入運行中的流化床氣化爐時，煤粒幾乎立即升溫到床層的溫度。此時，煤粒發(fā)生吸熱反應(煤的熱解及水蒸氣分解反應等)的速度較慢，顆粒將由于劇烈升溫而軟化，生產(chǎn)膠質(zhì)體，并與其它同類顆粒粘結成更大的顆粒。而且，很快發(fā)展成堅硬的半焦，致使床的流態(tài)化停滯或塌陷，而無法操作。二常壓流化床氣化的特點4.粘結煤需經(jīng)預處理

原因：②具有粘結性的煤粒，還容易發(fā)生爆裂。因為在新鮮煤粒進入床層以后，輻射熱幾乎立即傳遞到每一顆新的煤粒上，煤粒軟化、熔融。與此同時，熱解反應開始釋放揮發(fā)分，首先從煤粒表面釋放，繼續(xù)吸熱，內(nèi)部揮發(fā)分析出。此時，堅固的半焦表層將對內(nèi)部揮發(fā)分的析出造成阻力。有一些顆?？芍饾u形成足夠大的內(nèi)部壓力而炸裂成許多小顆粒，產(chǎn)生煤粉，被氣流帶出而成為碳的損失。只有當原料顆粒足夠小，或粘結性足夠低時，可避免熱炸裂的發(fā)生。二常壓流化床氣化的特點4.粘結煤需經(jīng)預處理

措施舉例：①用流化床預氧化，破壞煤的粘結性。據(jù)報道，可在725~750℃，0.098MPa下，用流化床預處理煤，氧耗為0.062~0.093m3／kg。處理后煤中揮發(fā)分相應降低，煤表面由于氧化而形成了反射率很高的表層，這類表層還存在于煤粒的裂隙中和一些小氣孔內(nèi)部。粘結煤經(jīng)預氧化處理可破壞它們的粘結性，但約損失三分之一的揮發(fā)分，固體減輕約50％，在經(jīng)濟上帶來不利的結果。二常壓流化床氣化的特點4.粘結煤需經(jīng)預處理

措施舉例：②將原料煤與半焦預混合后，再進入流化床層。當預混合比(半焦／原料煤)在2以上時，其壓力為3.4MPa，溫度為538℃的流化床氫氣氛下，可維持正常操作；若使用更大的預混比，操作就會更安全。若不作事先混合，也可將新鮮煤粉進入床層后與半焦相混，但這種混合必須是迅速且徹底的，才能防止粘結。也就是，床層中必須有足夠數(shù)量半焦和足夠大流化床容積。二常壓流化床氣化的特點5.帶出損失大

嚴重的帶出損失是流化床的一大缺點。煤料中原有的小顆粒組分以及在氣化過程中，由于碳的消耗或熱爆裂形成的細小顆粒都有可能被煤氣流所帶出。帶出物的碳含量在40~60％，而且這部分飛灰的重新利用，在工藝上和設備上均存在一定的困難。二常壓流化床氣化的特點6.排出損失大由于流化床的組成均勻，混合充分，故要選擇性地排除灰分困難很大。用傳統(tǒng)的螺旋排灰機排出的干灰渣中含碳量往往很高。所以，有時為了避免排出物中損失過多的碳量，床層不得不在高灰濃度下操作以致煤氣的產(chǎn)量和質(zhì)量均受到不良的影響。7.流化床中煤粒始終處于運動狀態(tài)，并具有流體的特性，所以，流化床特別適合于多器系統(tǒng)操作，可以方便地將固體在各器之間轉移，使氣化條件的選擇和產(chǎn)品分布上有很大的靈活性。三加壓流化床氣化的特點1.壓力對流化床的流體力學影響（1）對阻力的影響流化床的阻力降等于單位截面上床層的重力。當加入的固體原料數(shù)量恒定，且他們的膨脹度相同時，壓力的變化，對流化床的阻力沒有影響。三加壓流化床氣化的特點1.壓力對流化床的流體力學影響（2）床層膨脹度的影響當氣流的重量流量不變時，隨著壓力的提高床層膨脹度α急劇下降。為了使α達到保證正規(guī)流化所必需的值，則須提高氣體的線速度即增加鼓風量。同時也使氣體在床層中的停留時間相應增加，從而為強化氣化過程創(chuàng)造了條件。而且，一般情況下加壓流化床的工作狀態(tài)比常壓下穩(wěn)定。三加壓流化床氣化的特點1.壓力對流化床的流體力學影響（3）對帶出物帶出條件的影響

隨流化床反應器中壓力的升高，由于氣流密度增大，氣流速度減小，床層結構的改善以及反應區(qū)流體力學狀態(tài)的變化，這些都為減少氣流從粒度組成較寬的床層中帶出粉末創(chuàng)造了有利的條件。此時，不僅帶出量下降，而且，帶出物的顆粒尺寸也減少了。所以當床層膨脹度不變時，壓力升高將使帶出量大大減小。三加壓流化床氣化的特點2.壓力對流化床氣化過程的影響

（1）

加壓流化床與常壓流化床相比，壓力對氣化過程最大的影響是使氣化爐的生產(chǎn)能力得到了很大的提高。三加壓流化床氣化的特點2.壓力對流化床氣化過程的影響

（2）加壓氣化有利于提高煤氣組成中的有效成分。壓力的提高，有利于甲烷的生成反應，故在壓力煤氣中，甲烷含量均高于常壓煤氣，使煤氣熱值得到相應提高。甲烷生成熱的釋放，降低了氣化的氧耗。如若氧氣用量不變，則爐溫可得到相應提高，在灰熔點允許的范圍內(nèi)，爐溫的適當提高則有利于一氧化碳和氫氣的生成，并可部分抵消因壓力增加，對該兩反應造成的不利影響。三加壓流化床氣化的特點2.壓力對流化床氣化過程的影響表5-1流化床加壓氣化與常壓氣化的比較

第三節(jié)

工藝過程特性一過程特點

流化床（或稱沸騰床）煤氣化過程是碎煤在反應器內(nèi)呈流化狀態(tài)，在一定溫度、壓力條件下與氣化劑反應生成煤氣。主要優(yōu)點是床層溫度均勻，傳熱傳質(zhì)效率高，氣化強度大，使用粉煤，原料價格便宜，且煤種適應范圍寬，產(chǎn)品煤氣中基本不含焦油和酚類物質(zhì)。主要缺點是氣體中帶出細粉過多而影響了碳轉化率，但通過采用細煤粉循環(huán)技術此缺點可得到一定程度的克服。二反應特性

（1）流化床煤氣化的主要反應包括：煤熱解反應、熱解氣體二次反應、煤焦與二氧化碳及水蒸氣反應、水蒸氣變換反應和甲烷化反應。圖5-2無煙煤在流化床氣化爐氣化中氣體組成及溫度分布（2）二反應特性（2）流化床煤氣化爐通過的氣體流量，一方面受使床層煤粒流化的最低流化速度—臨界流化速度的限制，另一方面受煤粒的最大流化速度—終端流化速度（吹出速度）的限制，在兩者之間尋求最佳流化速度。

如果流化速度低于臨界流速，床層煤粒不能流化而容易造成結渣，操作惡化甚至停爐。如果流化速度高于終端流速，床層煤粒將被煤氣大量夾帶沖出爐外，破壞床層溫度，使操作無法進行。

臨界流化速度與固體粒度和流體的物理性質(zhì)有密切關系，可以用實驗方法準確求得，也可以通過實際生產(chǎn)中總結出的經(jīng)驗公式進行計算。

流化床氣化爐的操作速度和臨界速度之比稱為流化數(shù)，試驗得出在最佳流化速度下，對應的流化數(shù)為1.4~2.0，床層的膨脹比為1.5~2.0，顆粒的=5~6?？梢杂昧骰瘮?shù)評價流化床操作狀態(tài)。二反應特性

（3）加壓流化床與常壓流化床相比，具有固體物料帶出量減少；氧耗降低，氣化強度隨著氣化爐壓力的提高而增加，生產(chǎn)強度的增加，大約與氣化壓力增加值的平方根成正比。同樣生產(chǎn)能力下氣化爐直徑減少設備投資降低，使煤氣利用的后系統(tǒng)減少煤氣壓縮功耗，所以加壓流化床是重要發(fā)展方向。

（4）提高流化床煤氣化爐的氣化溫度，可以提高碳轉化率和氣化爐煤氣產(chǎn)量，使煤氣中甲烷下降，CO和增加。三流體力學條件

當氣體流速高于臨界流化速度而低于其對應的極限沉降速度時，呈流化狀態(tài)。當氣速大于時，顆粒將被氣流夾帶出床層。

1極限臨界速率2流化床床層的膨脹和顆粒運動

流化床床層的膨脹是相對固定床而言的。流化床床層的體積比固定床大，其體積比稱為流化床的膨脹比。

流化床的相對密度：流化床與固定床床層密度之比。

顆粒在流化床內(nèi)劇烈運動是流化床的標志。由氣化爐爐身和爐柵結構決定，可分為有規(guī)則運動和無規(guī)則運動。當爐柵直徑等于爐身直徑時，顆粒運動是不規(guī)則的；當爐柵直徑小于爐身直徑時，顆粒呈有規(guī)則流化，顆粒被吹到爐柵上部中央，然后從四周下降，形成內(nèi)部循環(huán)。三流體力學條件

流化床內(nèi)在床層料面以上，相當數(shù)量的固體顆粒被氣體帶出。氣體出口越高，夾帶量越小，最后，在某一高度上夾帶量趨近于常數(shù)。夾帶接近常數(shù)的氣體出口處距床層料面的高度稱為輸送分離高度TDH。對給定的顆粒和反應器，夾帶量對氣速非常敏感，約為的關系變化。但TDH對氣速不敏感，對給定的氣速TDH隨反應器直徑增大而增加。3夾帶分離高度四

對原料的要求

流化床氣化一般要求原煤破碎成<10mm粒徑的煤，<1mm粒徑細粉應控制10%以下，經(jīng)過干燥除去大部分外在水分，進氣化爐的煤含水量<5%為宜。

試驗證明流化床更適合活性高的褐煤、長焰煤和弱黏煙煤，氣化貧煤、無煙煤、焦粉時需提高氣化溫度和增加煤粒在氣化內(nèi)的停留時間。

固體干法排渣，為防止爐內(nèi)結渣除保持一定的流化速度外，要求煤的灰熔點ST應大于1250℃，氣化爐操作溫度（表溫）一般選定在比ST溫度低150~200℃的溫度下操作比較安全。第四節(jié)

常溫溫克勒(Winklee)

煤氣化技術

第一個流化床煤氣化工業(yè)生產(chǎn)裝置—溫克勒煤氣化法1926年在德國投入運轉。以后在世界各國共建有約70臺溫克勒氣化爐。早期的常壓溫克勒氣化實際是沸騰床氣化爐，存在氧耗高、碳損失大（超過20%）等缺點，因此至今仍在運轉的已不多。一溫克勒煤氣化爐

圖5-4為溫克勒氣化爐示意圖。氣化劑由氣化爐中部、下部分別噴入爐內(nèi)，使煤在爐內(nèi)沸騰流化進行氣化反應。早期的溫克勒氣化爐在爐底部設有爐柵，氣化劑通過爐柵進入爐內(nèi)。后改為無爐柵結構，氣化劑通過6個仰角為10°，切線角為25°的水冷射流噴嘴噴入爐內(nèi)，使氣化爐得到簡化，而同樣能達到氣流分布均勻的目的，同時避免床層內(nèi)部氣體溝流造成局部過熱和結渣，延長了使用周期，降低了維修費用。但隨之而來的問題是出口煤氣中粉塵夾帶量增多。

氣化爐直徑有2.4m、3m、4m、5m和5.5m幾種。典型工業(yè)規(guī)模氣化爐內(nèi)徑為5.5m，高23m。一溫克勒煤氣化爐圖5-4溫克勒氣化爐一溫克勒煤氣化爐

原料可以全部是碎煤或粉煤（<1mm）。氣化劑（氧氣和水蒸氣）消耗量低。

氣化負荷彈性大，在短時間內(nèi)，其處理量可從最小（25%設計負荷）調(diào)至最大（150%設計負荷）。

操作溫度低，控制維修簡易，運轉溫度可靠。

粗煤氣中無焦油類副產(chǎn)物，容易凈化。1溫克勒氣化爐的優(yōu)點一溫克勒煤氣化爐操作壓力低（常壓或略高于常壓），單臺爐處理量較小。碳轉化率低。由于氣化溫度低，帶出物和灰渣中殘?zhí)己枯^高，一般帶出物含碳30~50%，灰渣含碳20~30%。氣化爐體積龐大，單位容積氣化率較低。

通過提高氣化溫度和氣化壓力，改進氣化劑分布器結構，開發(fā)成功了多種新型流化床氣化技術，主要有高溫溫克勒、U-Gas、KRW和CFB等氣化爐。2溫克勒氣化爐的缺點二工藝流程簡述三工藝條件和氣化指標（1）工藝條件

①原料。褐煤是流化床最好的原料，但褐煤的水分含量很高，一般在12％以上，蒸發(fā)這部分水分需要較多的熱量(即增加了氧氣的消耗量)，水分過大，也會造成粉碎和運輸困難，所以水分含量太大時，需增設干燥設備。煤的粒度及其分布對流化床的影響很大，當粒度范圍太寬，大粒度煤較多時，大量的大粒度煤難以流化，覆蓋在爐篦上，氧化反應劇烈可能引起爐篦處結渣。如果粒度太小，易被氣流帶出，氣化不徹底。三工藝條件和氣化指標（1）工藝條件②氣化爐的操作溫度。高爐溫對氣化是有利的，可以提高氣化強度和煤氣質(zhì)量，但爐溫是受原料的活性和灰熔點的限制的，一般在900℃左右。影響氣化爐溫度的因素大致有汽氧比、煤的活性、水分含量、煤的加入量等。其中又以汽氧比最為重要。三工藝條件和氣化指標（1）工藝條件③二次氣化劑的用量。使用二次氣化劑的目的是為了提高煤的氣化效率和煤氣質(zhì)量。被煤氣帶出的粉煤和未分解的碳氫化合物，可以在二次氣化劑吹入?yún)^(qū)的高溫環(huán)境中進一步反應，從而使煤氣中的一氧化碳含量增加、甲烷量減少。（2）氣化指標褐煤的溫克勒氣化指標如表第五節(jié)

高溫溫克勒(HTW)

煤氣化技術一

HTW煤氣化技術特點

提高了操作溫度。由原來的900~950℃提高到950~1000℃，因而提高了碳轉化率，增加了煤氣產(chǎn)出率，降低了煤氣中甲烷含量，氧耗量減少。

提高了操作壓力。由常壓提高到1.0MPa，提高了反應速度和氣化爐單位爐膛面積的生產(chǎn)能力。使后序壓縮機能耗較大降低。

氣化爐粗煤氣帶出的固體煤粉塵，經(jīng)分離后返回氣化爐循環(huán)利用，使排出的灰渣中含碳量降低，碳轉化率顯著提高，可以氣化含灰量高（>20%）的次煙煤。

由于氣化壓力和氣化溫度的提高，使氣化爐大型化成為可能。二

HTW氣化爐結構圖5-6HTW煤氣爐的結構示意三

HTW煤氣化工藝流程簡述圖5-7HTW煤氣示范裝置工藝流程圖三

HTW煤氣化工藝流程簡述氣化爐操作：氣化壓力1.0MPa，氣化溫度根據(jù)煤的活性試驗數(shù)據(jù)和灰熔點ST而定，褐煤氣化溫度為950~1000℃，長焰煤、煙煤氣化溫度為1000~1100℃，生物質(zhì)（木材、甘蔗渣）氣化溫度600~650℃。四

兩種溫克勒氣化爐技術數(shù)據(jù)對比第六節(jié)

灰熔聚流化床煤氣化技術一

概述一般流化床煤氣化爐要保持床層爐料高的碳灰比，而且使碳灰混合均勻以維持穩(wěn)定的不結渣操作。因此爐底排出的灰渣組成與爐內(nèi)混合物料組成基本相同，故排出的灰渣的碳含量比較高（15~20%）。

針對上述問題提出了灰熔聚（灰團聚、灰黏聚）的排灰方式。做法是在流化床層形成局部高溫區(qū)，使煤灰在軟化而未熔融的狀態(tài)下，相互碰撞黏結成含碳量較低的球狀灰渣，球狀灰渣長大到一定程度時靠其重量與煤粒分離下落到爐底灰渣斗中排出爐外，降低了灰渣的含碳量（5~10%），與液態(tài)排渣爐相比減少了灰渣帶出的熱損失，提高氣化過程的碳利用率，這是煤氣化爐排渣技術的重大發(fā)展。

目前采用灰熔聚排渣技術的有美國的U—Gas氣化爐、KRW氣化爐以及中國科學院山西煤炭化學研究所的ICC煤氣化爐。二

灰熔聚流化床煤氣化爐技術特點

氣化爐結構簡單，爐內(nèi)無傳動設備，為單段流化床，操作控制方便，運行穩(wěn)定、可靠。

可以氣化包括黏結煤、高灰煤在內(nèi)的各種等級的煤。煤粒度為小于6mm碎粉煤。

氣化溫度高，碳轉化率高，氣化強度為一般固定床氣化爐的3~10倍。

灰團聚排渣含碳量低（<10%），便于作建材利用，煤氣化效率達75%以上。

煤氣中幾乎不含焦油和烴類，酚類物質(zhì)也極少，煤氣洗滌冷卻水易處理回收利用。

煤中含硫可全部轉化成，容易回收，也可用石灰石在爐內(nèi)脫硫，簡化了煤氣凈化系統(tǒng)，有利于環(huán)境保護。

與熔渣爐（Shell）相比氣化溫度低的多，耐火材料使用壽命長達10年以上。

煤氣夾帶的煤灰細粉除塵設備捕集后返回氣化爐內(nèi)，進一步燃燒、氣化，碳利用率高。三

美國U—Gas煤氣化技術1中試裝置氣化爐圖5-8U-Gas氣化爐三

美國U—Gas煤氣化技術2.U—Gas氣化工藝的特點（1）灰球的形成及分離

U—GAS工藝的主要特點是流化床中灰與半焦的選擇性分離。也就是，在煤中碳質(zhì)被氣化的同時，灰被熔聚成球形顆粒，并從床層中分離出來?；伊５谋砻嫒刍蛉劬鄢汕蚴且粋€復雜的物理—化學過程。在氣化總過程中，要實現(xiàn)灰的熔聚和分離，氣化爐中灰熔聚區(qū)域的幾何形狀、結構尺寸及相應的操作條件起著重要的作用。它包括：文丘里管(灰頸)內(nèi)氣速、流經(jīng)文丘里管和流經(jīng)爐篦的氧氣量與水蒸氣量的比例等因素。三

美國U—Gas煤氣化技術（1）灰球的形成及分離①文丘里管內(nèi)的氣流速度文丘里管內(nèi)的氣速及氣化劑中的汽氧比極為重要，它直接關系到床層高溫區(qū)的形成。通過文丘里管的氣化劑中汽氧比比通過爐篦的氣化劑中汽氧比低得多，以形成灰熔聚所必需的高溫區(qū)。但該比例必須精確控制，以確保所